연구성과

기계 김동성 교수팀, 줄기세포시트 단 2일이면 수확한다!

2020-10-06 358

[POSTECH-포항세명기독병원 연구팀, 온도감응형 나노구조 세포 배양 플랫폼 개발]

줄기세포는 끊임없이 반복해서 분열하며 세포를 만드는 세포공장이다. 손상된 장기에 인위적으로 이 줄기세포를 이식하게 되면 새로운 조직을 재생시켜 치료가 가능해 질 수 있다. ‘세포 시트(cell sheet)’ 공학 기술은 줄기세포를 세포들만으로 이루어진 시트 형태로 손상부위에 이식할 수 있는 기술로 외부물질에 기인한 면역 거부반응을 온전히 배제시키며 조직 재생을 꾀할 수 있다. 최근 POSTECH 연구팀이 이런 줄기세포 시트 수확에 소요되는 시간을 획기적으로 단축하는 데 성공했다.

기계공학과 김동성 교수와 최이현 연구원, 포항세명기독병원 정형성형병원 류인혁 원장, 이지호 과장 공동연구팀은 온도에 따라 물의 젖음 특성이 달라지는 폴리나이팜의 나노구조를 이용하여 인간 골수 유래 중간엽줄기세포로 구성된 세포 시트의 총 수확 기간을 2일로 대폭 단축시켰다. 현재까지 개발된 기술로 줄기세포를 ‘시트’화하는데 평균 일주일이 걸리는 것을 고려하면 가장 짧은 수확 시간이다. 이 연구성과는 생체 재료 분야 국제 학술지 ‘바이오머티리얼스 사이언스(Biomaterials Science)’ 최신호에 표지논문으로 게재됐다.

김 교수 연구팀은 온도에 따라 물과 결합하거나 물을 밀어내는 성질이 변하는 고분자인 ‘폴리나이팜’에 주목했다. 기존 연구에서는 폴리나이팜을 세포 배양 용기에 코팅 방식으로 도입하여 세포 시트를 수확해 왔으나, 시트로 수확 가능한 세포의 종류가 한정적이어서 그 활용 범위가 제한됐었다.

연구팀은 2019년 처음으로 폴리나이팜을 기존 코팅 방식이 아닌 3차원 형상으로 구현함으로써, 온도 변화에 따라 세포배양면의 표면 거칠기를 자유롭게 조절하는 기술을 개발하여 다양한 종류의 세포들을 안정적으로 시트화시킨 바 있다.

이번 연구는 세포 시트의 직접적인 활용 가능성을 높이고자, 조직 재생에 효과적인 줄기세포를 짧은 시간 안에 시트화하는 데 집중했고, 3차원 형상의 폴리나이팜 표면상에 400나노미터(nm, 10억 분의 1m) 크기의 나노포어(나노기공)가 배열된 등방성(等方性) 패턴을 입혔다. 그 결과, 폴리나이팜의 나노구조에서 인간 골수 유래 중간엽줄기세포의 형성과 성숙이 빨라졌을 뿐만 아니라, 임계온도(LCST)*1보다 낮은 상온에서 폴리나이팜 나노구조의 표면 거칠기가 빠르게 변화되어 세포 시트의 탈착을 효과적으로 유도할 수 있었다. 이로써 인간 골수유래 중간엽줄기세포 시트의 빠른 수확이 가능했다.

제1 저자인 최이현 씨는 “기존 연구를 통해 보고된 줄기세포 시트 수확은 최소 5일이 필요했다”며 “이번에 개발한 폴리나이팜 나노구조체를 통해 2일 만에 수확이 가능하다”라고 밝혔다.

연구를 주도한 김동성 교수는 “세계 최초로 폴리나이팜 3차원 구조 표면에 나노구조를 도입하여 성숙한 줄기세포 시트를 제작함으로써 수확 시간을 현저히 단축시켰다”며, “앞으로 줄기세포 시트를 환자들에게 직접 적용할 가능성을 열었다”라고 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 바이오 의료기술개발사업의 지원으로 수행됐다.


1. 임계온도
액체와 기체의 상평형이 정의될 수 있는 한계 온도, 즉 액화가 가능한 최고의 온도를 말한다.